DE102018126193A1

DE102018126193A1 - FUEL CELL WITH INTEGRATED WATER VAPOR TRANSFER AREA

Info

Publication number: DE102018126193A1
Application number: DE102018126193.4A
Authority: DE
Inventors: Mark F. Mathias; Balasubramanian Lakshmanan; Wenbin Gu
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-10-24
Filing date: 2018-10-22
Publication date: 2019-04-25
Also published as: CN109698371A; US20190123364A1

Abstract

Die vorliegende Offenbarung stellt eine integrierte Brennstoffzelle mit einem Wasserdampfübertragungsbereich bereit, wobei die integrierte Brennstoffzelle eine erste Bipolarplatte, eine zweite Bipolarplatte und eine Membranelektrodenanordnung (MEA) zwischen der ersten und zweiten Bipolarplatte beinhaltet. Die Membranelektrodenanordnung beinhaltet ferner einen Wasserdampfübertragungsbereich und einen Wirkflächenbereich, der konfiguriert ist, einen elektrischen Strom zu erzeugen und ein Wasser-Nebenprodukt bereitzustellen, um eine Reaktion zu ermöglichen, die einen Wasserstoff enthaltenden Strom und einen Sauerstoff enthaltenden Strom aufweist.The present disclosure provides an integrated fuel cell having a water vapor transfer region, wherein the integrated fuel cell includes a first bipolar plate, a second bipolar plate, and a membrane electrode assembly (MEA) between the first and second bipolar plates. The membrane electrode assembly further includes a water vapor transfer region and an effective area region configured to generate an electrical current and provide a water by-product to facilitate a reaction comprising a hydrogen-containing stream and an oxygen-containing stream.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die Erfindung betrifft eine verbesserte Brennstoffzelle und einen Brennstoffzellenstapel mit einem Wasserdampfübertragungsbereich in jeder Brennstoffzelle.The invention relates to an improved fuel cell and a fuel cell stack having a water vapor transfer region in each fuel cell.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Brennstoffzellensysteme werden als Stromquelle für Elektrofahrzeuge, stationäre Stromversorgungen und weitere Anwendungen verwendet. Ein bekanntes Brennstoffzellenstapelsystem ist das Protonenaustauschmembran (PEM)-Brennstoffzellenstapelsystem, das eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einem dünnen, festen Polymermembranelektrolyten beinhaltet, der eine Anode auf einer Seite und eine Kathode auf der gegenüberliegenden Seite hat. Die MEA befindet sich zwischen einem Paar von elektrisch leitenden Kontaktelementen, die als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen und die geeignete Kanäle und Öffnungen darin enthalten, um die gasförmigen Reaktanten des Brennstoffzellenstapelsystems (d. h., H2 und O2 oder Luft) über die Flächen der jeweiligen Anode und Kathode zu verteilen.Fuel cell systems are used as a power source for electric vehicles, stationary power supplies, and other applications. One known fuel cell stack system is the proton exchange membrane (PEM) fuel cell stack system, which includes a membrane electrode assembly (MEA) with a thin, solid polymer membrane electrolyte having an anode on one side and a cathode on the opposite side. The MEA is located between a pair of electrically conductive contact elements which serve as current collectors for the anode and cathode and which contain suitable channels and openings therein for circulating the gaseous reactants of the fuel cell stack system (ie, H2 and O2 or air) over the surfaces of the respective ones To distribute anode and cathode.

PEM-Brennstoffzellen weisen eine Vielzahl von gestapelten MEAs auf, die in elektrischer Reihe gestapelt sind, während sie durch ein undurchlässiges, elektrisch leitendes Kontaktelement, bekannt als Bipolarplatte oder Stromkollektor, getrennt sind. Brennstoffzellenstapelsysteme werden in einer Weise betrieben, die die MEAs in einem befeuchteten Zustand hält. Der Feuchtigkeitspegel der MEAs beeinflusst die Leistung des Brennstoffzellenstapelsystems. Wenn darüber hinaus eine MEA zu trocken betrieben wird, kann die Lebensdauer der MEA verringert werden. Zur Vermeidung des Austrocknens der MEAs werden die typischen Brennstoffzellenstapelsysteme mit der MEA bei einem gewünschten Feuchtigkeitsniveau betrieben, wobei flüssiges Wasser während der Stromerzeugung in der Brennstoffzelle gebildet wird. Zusätzlich werden die Reaktionsgase der Kathode und Anode, die an das Brennstoffzellenstapelsystem geliefert werden, auch befeuchtet, um ein Austrocknen der MEAs an den Stellen nahe der Einlässe für die Reaktionsgase zu verhindern. Herkömmlicherweise wird eine Wasserdampfübertragungseinheit (WVT) verwendet, um das Kathoden-Reaktionsgas vor Eintritt in die Brennstoffzelle zu befeuchten. Siehe beispielsweise unter US-Pat. Nr. 7,138,197 von Forte et al., das hier in seiner Gesamtheit eingebunden ist, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapelssystems.PEM fuel cells have a plurality of stacked MEAs stacked in electrical series while separated by an impermeable, electrically conductive contactor known as a bipolar plate or current collector. Fuel cell stack systems operate in a manner that maintains the MEAs in a humidified state. The moisture level of the MEAs affects the performance of the fuel cell stack system. Moreover, if an MEA is operated too dry, the life of the MEA can be reduced. To avoid dehydration of the MEAs, the typical fuel cell stack systems are operated with the MEA at a desired level of humidity, forming liquid water during power generation in the fuel cell. In addition, the reaction gases of the cathode and anode supplied to the fuel cell stack system are also humidified to prevent the MEAs from drying out at the locations near the reactant gas inlets. Conventionally, a water vapor transfer unit (WVT) is used to humidify the cathode reaction gas prior to entering the fuel cell. See for example under US Pat. No. 7,138,197 by Forte et al., which is incorporated herein in its entirety, discloses a method of operating a fuel cell stack system.

Die Grundkomponenten einer PEM-Brennstoffzelle sind zwei Elektroden, die durch einen Polymermembranelektrolyten getrennt sind. Jede Elektrode ist auf gegenüberliegenden Seiten der Membran als eine dünne Katalysatorschicht positioniert. Desgleichen ist auf jeder Seite der Anordnung an jeder dünnen Katalysatorschicht, eine mikroporöse Schicht und eine Gasdiffusionsschicht vorgesehen. Die Gasdiffusionsschicht ist die äußerste Schicht auf jeder Seite der Membranelektrodenanordnung (MEA). Die Gasdiffusionsschicht (GDL) besteht im Allgemeinen aus nichtgewebtem Kohlefaserpapier oder gewebtem Kohletuch. Die GDL ist primär dazu vorgesehen, Leitfähigkeit zu ermöglichen und Gase dabei zu unterstützen, in Kontakt mit dem Katalysator zu kommen. Die GDL funktioniert als Unterstützung der Katalysatorschicht, bietet gute mechanische Festigkeit und leichten Gaszugang zum Katalysator und verbessert die elektrische Leitfähigkeit. Der Zweck der mikroporösen Schicht ist es, den Kontaktwiderstand zwischen der GDL und Katalysatorschicht zu verringern, den Katalysatorverlust im GDL-Inneren zu begrenzen und bei der Verbesserung des Wassermanagements zu helfen, um einen effektiven Wassertransport bereitzustellen. Dementsprechend bilden die Elektroden (Katalysatorschicht), Membran, mikroporösen Schichten und Gasdiffusionsschicht zusammen die Membranelektrodenanordnung (MEA). Die MEA ist im Allgemeinen zwischen zwei Bipolarplatten angebracht, um eine Brennstoffzellenanordnung zu bilden.The basic components of a PEM fuel cell are two electrodes separated by a polymer membrane electrolyte. Each electrode is positioned on opposite sides of the membrane as a thin catalyst layer. Likewise, on each side of the array is provided on each thin catalyst layer, a microporous layer and a gas diffusion layer. The gas diffusion layer is the outermost layer on each side of the membrane electrode assembly (MEA). The gas diffusion layer (GDL) is generally made of non-woven carbon fiber paper or woven charcoal cloth. The GDL is primarily designed to provide conductivity and to help gases come in contact with the catalyst. The GDL functions as a catalyst layer support, providing good mechanical strength and easy gas access to the catalyst and improving electrical conductivity. The purpose of the microporous layer is to reduce the contact resistance between the GDL and catalyst layer, to limit catalyst loss in the GDL interior, and to aid in improving water management to provide effective water transport. Accordingly, the electrodes (catalyst layer), membrane, microporous layers and gas diffusion layer together form the membrane electrode assembly (MEA). The MEA is generally mounted between two bipolar plates to form a fuel cell assembly.

Wie bekannt, wird Wasserstoff an die Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel geleitet, um die erforderliche chemische Reaktion auszulösen, durch die das Fahrzeug mit Elektrizität versorgt wird. Eines der Nebenprodukte dieser chemischen Reaktion in einer herkömmlichen Brennstoffzelle ist Wasser in Form von Dampf und/oder Flüssigkeit. Es ist auch wünschenswert, feuchte Luft als Eingangsgröße in den Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, um den Leistungsausgang für eine gegebene Brennstoffzellenstapelgröße zu maximieren. Feuchte Luft verhindert auch vorzeitigen mechanischen Verschleiß und chemischen Abbau der Brennstoffzellenmembran.As is known, hydrogen is directed to the fuel cells in a fuel cell stack to initiate the required chemical reaction by which the vehicle is supplied with electricity. One of the byproducts of this chemical reaction in a conventional fuel cell is water in the form of vapor and / or liquid. It is also desirable to provide humid air as an input to the fuel cell stack to maximize power output for a given fuel cell stack size. Moist air also prevents premature mechanical wear and chemical degradation of the fuel cell membrane.

Die Eingangsluft wird typischerweise von einem Kompressor bereitgestellt, während eine Wasserübertragungsvorrichtung außerhalb des Stapels herkömmlicherweise in einem Brennstoffzellensystem implementiert ist, um der Eingangsluft, die von einem Kompressor geliefert wird, Feuchtigkeit hinzuzufügen, die Quelle der Feuchtigkeit ist häufig der wassergeladene Stapel-Kathoden-Ausgangsstrom des Produkts. Diese Komponenten unter vielen anderen Komponenten in einem herkömmlichen Brennstoffzellensystem tragen zu den Kosten des Brennstoffzellensystems bei und nehmen viel Verpackungsraum in Anspruch. Bei vielen Anwendungen, als Beispiel aber nicht beschränkt darauf, bei einem Fahrzeug, ist der Verpackungsraum begrenzt.The input air is typically provided by a compressor while a non-stacked water transfer device is conventionally implemented in a fuel cell system to add moisture to the input air supplied by a compressor; the source of moisture is often the water-charged stack cathode output stream of the first product. These components among many other components in a conventional fuel cell system add to the cost of the fuel cell system and take up much packaging space. In many applications, as an example but not limited to a vehicle, packaging space is limited.

Dementsprechend besteht ein Bedarf, wenn möglich, Komponenten eines Brennstoffzellensystems zu vertretbaren Kosten zu integrieren. Accordingly, there is a need, if possible, to integrate components of a fuel cell system at a reasonable cost.

KURZDARSTELLUNGSUMMARY

In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist eine Brennstoffzelle mit integriertem Wasserübertragungsbereich vorgesehen, wobei die integrierte Brennstoffzelle eine erste Bipolarplatte, eine zweite Bipolarplatte und eine Membranelektrodenanordnung (MEA) zwischen der ersten und zweiten Bipolarplatte beinhaltet. Die Membranelektrodenanordnung beinhaltet ferner einen Wasserdampfübertragungsbereich und einen Brennstoffzellen-Wirkflächenbereich. Der Wasserdampfbereich ist konfiguriert, Feuchtigkeit zu übertragen während der Wirkflächenbereich zwei Elektroden beinhaltet und konfiguriert ist, Strom zu erzeugen und ein Wasser-Nebenprodukt bereitzustellen, um eine Reaktion zu ermöglichen, die einen Eingangsstrom mit Wasserstoff und einen Eingangsluftstrom mit Sauerstoff umfasst.In one embodiment of the present disclosure, a fuel cell with integrated water transfer area is provided, wherein the integrated fuel cell includes a first bipolar plate, a second bipolar plate, and a membrane electrode assembly (MEA) between the first and second bipolar plates. The membrane electrode assembly further includes a water vapor transfer area and a fuel cell effective area area. The water vapor region is configured to transfer moisture while the effective area region includes two electrodes and is configured to generate electricity and to provide a water by-product to facilitate a reaction comprising an input stream of hydrogen and an input stream of oxygen.

In noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist ein Brennstoffzellenstapel mit einer Wasserübertragungseigenschaft vorgesehen, wobei die integrierte Brennstoffzelle eine erste Endplatte, eine zweite Endplatte und eine Vielzahl von Brennstoffzellen beinhaltet, die zwischen der ersten und zweiten Endplatte angebracht sind. Jede Brennstoffzelle der Vielzahl von Brennstoffzellen beinhaltet erste und zweite Bipolarplatten mit einer Membranelektrodenanordnung zwischen der ersten und zweiten Bipolarplatte. Die Membranelektrodenanordnung beinhaltet ferner einen Wasserdampfübertragungsbereich und einen Brennstoffzellen-Wirkflächenbereich, der konfiguriert ist, einen elektrischen Strom zu erzeugen und ein Wasser-Nebenprodukt bereitzustellen, um eine Reaktion zu ermöglichen, die eine Wasserstoff enthaltende Strömung und eine Sauerstoff enthaltende Strömung aufweist. Der Wasserdampfübertragungsbereich ist konfiguriert, Feuchtigkeit, die in der Brennstoffzelle erzeugt wird, über einen primären Fluidstrom (als Beispiel aber nicht beschränkt darauf die Anodenströmung mit gasförmigem Wasserstoff aus einem Tank) einem sekundären Fluidstrom (als Beispiel aber nicht beschränkt darauf geladene Luft von einem Kompressor) zuzuführen. Der Wasserdampfübertragungsbereich der Membranelektrodenanordnung für jede Brennstoffzelle im Brennstoffzellenstapel kann im Verhältnis zum Wirkflächenbereich hydrophil sein.In yet another embodiment of the present disclosure, a fuel cell stack having a water transfer characteristic is provided, wherein the integrated fuel cell includes a first end plate, a second end plate, and a plurality of fuel cells mounted between the first and second end plates. Each fuel cell of the plurality of fuel cells includes first and second bipolar plates having a membrane electrode assembly between the first and second bipolar plates. The membrane electrode assembly further includes a water vapor transfer area and a fuel cell effective area area configured to generate an electric current and provide a water by-product to enable a reaction having a hydrogen-containing flow and an oxygen-containing flow. The water vapor transfer region is configured to transfer moisture generated in the fuel cell via a primary fluid stream (exemplified but not limited to the gaseous hydrogen anode flow from a tank) to a secondary fluid stream (exemplified but not limited to air from a compressor). supply. The Wasserdampfübertragungsbereich of the membrane electrode assembly for each fuel cell in the fuel cell stack may be hydrophilic in relation to the effective area.

In einer Ausführungsform kann der Wasserdampfübertragungsbereich der MEA für jede Brennstoffzelle im Brennstoffzellenstapel an einem ersten MEA-Ende der Membranelektrodenanordnung definiert werden (wo die geladene Luft vom Kompressor in den Kraftstoff eintritt). Der Brennstoffzellen-Wirkflächenbereich kann am zweiten MEA-Ende der Membranelektrodenanordnung definiert sein. Alternativ kann der Wasserdampfübertragungsbereich sowohl am ersten MEA-Ende der Membranelektrodenanordnung als auch an einem zweiten MEA-Ende der Membranelektrodenanordnung definiert sein, wobei der Brennstoffzellen-Wirkflächenbereich zwischen den Wasserdampfübertragungsbereichen am ersten und zweiten MEA-Ende definiert ist.In one embodiment, the water vapor transfer area of the MEA for each fuel cell in the fuel cell stack may be defined at a first MEA end of the membrane electrode assembly (where the charged air from the compressor enters the fuel). The fuel cell effective area area may be defined at the second MEA end of the membrane electrode assembly. Alternatively, the water vapor transfer region may be defined at both the first MEA end of the membrane electrode assembly and at a second MEA end of the membrane electrode assembly, wherein the fuel cell effective area is defined between the water vapor transfer regions at the first and second MEA ends.

Die Feuchtigkeit aus dem Abluftstrom wird zum Eingangsstrom des Wasserstoffs über die Membran des Wasserdampfübertragungsbereichs am zweiten MEA-Ende übertragen. Das erste MEA-Ende definiert auch einen Wasserdampfübertragungsbereich, in dem die Feuchtigkeit aus dem Ausgangsstrom des Wasserstoffs an den geladenen Eingangsluftstrom vom Kompressor über die Membran des Wasserdampfübertragungsbereichs am ersten MEA-Ende übertragen wird. Der oben beschriebene Aufbau erreicht eine effiziente Regenerierung des Wassers innerhalb der einzelnen integrierten Brennstoffzelle.The moisture from the exhaust air stream is transferred to the input stream of hydrogen via the membrane of the water vapor transfer region at the second MEA end. The first MEA end also defines a water vapor transfer region in which the moisture from the output stream of hydrogen is transferred to the charged input air stream from the compressor via the membrane of the water vapor transfer region at the first MEA end. The construction described above achieves efficient regeneration of the water within the individual integrated fuel cell.

Jede Brennstoffzelle im Brennstoffzellenstapel kann auch in Fluidverbindung mit einer Anodenschleife stehen, die konfiguriert ist, Wasser, das durch die chemische Reaktion an der Wirkfläche erzeugt wurde, zurück an einen Anodeneingang der Brennstoffzelle in der Nähe des zweiten MEA-Endes zu leiten. Diese Regenerierung kann beispielsweise durch ein System erreicht werden, das Injektoren und Ejektoren oder eine Anoden-Regenerierungspumpe beinhaltet. Das Wasser, das in die Zelle in dem regenerierten wasserstoffhaltigen Strom eintritt, kann dann durch einen Wasserdampfübertragungsbereich übertragen werden, um den Kathoden-Einlassstrom zu befeuchten. Es ist besonders wichtig, dem Kathoden-Einlassstrom vor dem Kontakt mit der aktiven Brennstoffzelle Feuchtigkeit zuzuführen, da ein trockener Luftstrom bekanntlich bei Vorhandensein von Brennstoffzellenelektroden zu einem chemischen Abbau der Membran führt. Der Aufbau und die Funktion dieser Anodenschleife kann in den verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung implementiert werden.Each fuel cell in the fuel cell stack may also be in fluid communication with an anode loop configured to direct water generated by the chemical reaction on the effective area back to an anode entrance of the fuel cell near the second end of the MEA. This regeneration can be achieved, for example, by a system including injectors and ejectors or an anode regeneration pump. The water entering the cell in the regenerated hydrogen-containing stream may then be transferred through a water vapor transfer region to humidify the cathode inlet stream. It is particularly important to add moisture to the cathode inlet stream prior to contact with the active fuel cell, as a dry stream of air is known to result in chemical degradation of the membrane in the presence of fuel cell electrodes. The construction and function of this anode loop may be implemented in the various embodiments of the present disclosure.

Hinsichtlich der Ausführungsform des integrierten Brennstoffzellenstapels, ist der Wasserdampfübertragungsbereich am ersten MEA-Ende für eine Vielzahl von Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel dafür konfiguriert, Feuchtigkeit vom Ausgang des gasförmigen Wasserstoffstroms zum geladenen Eingangsluftstrom (am ersten MEA-Ende) vom Kompressor zu übertragen. Außerdem kann der Wasserdampfübertragungsbereich am zweiten MEA-Ende jeder Brennstoffzelle im Brennstoffzellenstapel dafür konfiguriert sein, Feuchtigkeit vom Abluftstrom in den Eingang des gasförmigen Wasserstoffstroms (am zweiten MEA-Ende) zu übertragen.With respect to the integrated fuel cell stack embodiment, the water vapor transfer area at the first MEA end for a plurality of fuel cells in the fuel cell stack is configured to transfer moisture from the gaseous hydrogen stream exit to the charged input air stream (at the first MEA end) from the compressor. Additionally, the water vapor transfer area at the second MEA end of each fuel cell in the fuel cell stack may be configured to receive moisture from the exhaust air stream into the inlet of the gaseous hydrogen stream (at the second MEA end).

Die vorliegende Offenbarung und ihre besonderen Eigenschaften und Vorteile wird aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen offensichtlicher werden.The present disclosure and its particular characteristics and advantages will become more apparent from the following detailed description with reference to the accompanying drawings.

Figurenlistelist of figures

Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung, dem besten Modus, den Ansprüchen und den dazugehörigen Zeichnungen ersichtlich:

1 ist eine exemplarische schematische Darstellung eines bekannten Brennstoffzellensystems.
2 ist eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Wasserdampfübertragungseinheit, die außerhalb einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel untergebracht ist.
3 ist eine schematische Darstellung einer exemplarischen Seitenansicht einer erweiterten ersten Ausführungsform einer integrierten Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Offenbarung.
4 ist eine schematische Darstellung einer exemplarischen Vorderansicht einer ersten Ausführungsform einer Brennstoffzelle mit der Gasdiffusionsschicht auf einer ersten Bipolarplatte.
5 ist eine schematische Vorderansicht einer zweiten Ausführungsform einer Brennstoffzelle mit der integrierten MEA auf einer ersten Bipolarplatte.
6 ist eine schematische Vorderansicht einer dritten Ausführungsform einer Brennstoffzelle mit der integrierten MEA auf einer ersten Bipolarplatte.
7 ist eine schematische Darstellung eines exemplarischen Rückführkreises und eines Wasserwegs in einer integrierten Brennstoffzelle der vorliegenden Offenbarung.
8 ist eine schematische Vorderansicht eines integrierten Brennstoffzellenstapels gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.

These and other features and advantages of the present disclosure will become apparent from the following detailed description, best mode, claims, and accompanying drawings.

1 is an exemplary schematic representation of a known fuel cell system.
2 is a schematic representation of a conventional water vapor transfer unit, which is housed outside a fuel cell in a fuel cell stack.
3 FIG. 4 is a schematic illustration of an exemplary side view of an expanded first embodiment of an integrated fuel cell according to the present disclosure. FIG.
4 FIG. 12 is a schematic illustration of an exemplary front view of a first embodiment of a fuel cell having the gas diffusion layer on a first bipolar plate. FIG.
5 is a schematic front view of a second embodiment of a fuel cell with the integrated MEA on a first bipolar plate.
6 is a schematic front view of a third embodiment of a fuel cell with the integrated MEA on a first bipolar plate.
7 FIG. 12 is a schematic illustration of an exemplary recirculation loop and waterway in an integrated fuel cell of the present disclosure. FIG.
8th FIG. 10 is a schematic front view of an integrated fuel cell stack according to various embodiments of the present disclosure. FIG.

Gleiche Referenznummern beziehen sich auf gleiche Teile in der Beschreibung der verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.Like reference numerals refer to like parts in the description of the several views of the drawings.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Es wird nun im Detail auf derzeit bevorzugte Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Offenbarung Bezug genommen, welche die besten Arten der Durchführung der vorliegenden Offenbarung darstellen, die den Erfindern gegenwärtig bekannt sind. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstäblich. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich exemplarisch für die vorliegende Offenbarung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Daher sind die spezifischen Details, die hierin offenbart werden, nicht als Beschränkungen zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage für jegliche Aspekte der vorliegenden Offenbarung und/oder dienen nur als repräsentative Grundlage, um Fachleuten auf dem Gebiet die verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten zu vermitteln.Reference will now be made in detail to presently preferred compositions, embodiments, and methods of the present disclosure which illustrate the best modes of carrying out the present disclosure which are presently known to the inventors. The figures are not necessarily to scale. It should be understood, however, that the disclosed embodiments are merely exemplary of the present disclosure, which may be embodied in various and alternative forms. Therefore, the specific details disclosed herein are not to be construed as limitations, but merely as a representative basis for any aspects of the present disclosure and / or serve as a representative basis only for teaching the various applications to those skilled in the art.

Außer in den Beispielen oder wenn ausdrücklich erwähnt, sind alle numerischen Angaben über Materialmengen oder Reaktions- und/oder Nutzungsbedingungen in dieser Beschreibung so zu verstehen, dass sie durch den Zusatz „etwa“ modifiziert werden, sodass sie den weitest möglichen Umfang der vorliegenden Offenbarung beschreiben. Das Ausführen innerhalb der angegebenen nummerischen Grenzen wird im Allgemeinen bevorzugt. Ferner gilt, wenn nicht ausdrücklich anders angegeben: Prozent, „Teile von“ und Verhältniswerte nach Gewicht; die Beschreibung einer Gruppe oder Klasse von Materialien geeignet oder bevorzugt für einen bestimmten Zweck im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung, bedeutet dass Mischungen von zwei oder mehreren Elementen der Gruppe oder Klasse gleichermaßen geeignet oder bevorzugt sind; die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung gilt für alle nachfolgenden Verwendungen derselben Abkürzung und gilt in entsprechender Anwendung für normale grammatikalische Variationen der anfangs definierten Abkürzung entsprechend. Und es wird, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, die Messung einer Eigenschaft anhand derselben Technik bestimmt, wie es vorher oder nachher für dieselbe Eigenschaft angegeben ist.Except in the examples, or where expressly stated, all numerical references to quantities of material or conditions of reaction and / or use in this specification should be understood to be modified by the term "about" so as to describe the broadest scope of the present disclosure , Execution within the specified numerical limits is generally preferred. Furthermore, unless expressly stated otherwise: percent, "parts of" and weight ratios; the description of a group or class of materials suitable or preferred for a particular purpose in the context of the present disclosure means that mixtures of two or more elements of the group or class are equally suitable or preferred; the first definition of an acronym or other abbreviation applies to all subsequent uses of the same abbreviation, and applies mutatis mutandis to normal grammatical variations of the abbreviation initially defined. And, unless expressly stated otherwise, measurement of a property is determined by the same technique as previously or later stated for the same property.

Es versteht sich ferner, dass dies vorliegende Offenbarung nicht auf die bestimmten Ausführungsformen und Verfahren beschränkt ist, die im Folgenden beschrieben werden, da bestimmte Komponenten und/oder Bedingungen natürlich variieren können. Des Weiteren dient die hierin verwendete Terminologie nur zum Zweck der Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung und ist in keiner Weise als einschränkend zu verstehen.It should also be understood that this present disclosure is not limited to the particular embodiments and methods described below, as certain components and / or conditions may, of course, vary. Furthermore, the terminology used herein is for the purpose of describing various embodiments of the present disclosure only and is not intended to be limiting in any way.

Es wird ferner darauf hingewiesen, dass, wie in der Spezifikation und den angehängten Patentansprüchen verwendet, die Singularformen „ein/e“ und „der/die/das“ auch die Pluralverweise umfassen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor. Der Verweis auf eine Komponente im Singular soll beispielsweise eine Vielzahl von Komponenten umfassen.It should also be understood that, as used in the specification and the appended claims, the singular forms "a / e" and "the" also include the plural references unless clearly dictated by the context other things. For example, the reference to a singular component is intended to encompass a variety of components.

Der Begriff „umfassend“ ist gleichbedeutend mit „beinhaltend“, „aufweisend“, „enthaltend“ oder „gekennzeichnet durch“. Diese Begriffe sind einschließlich und offen auszulegen, und schließen zusätzliche ungenannte Elemente oder Verfahrensschritte nicht aus.The term "comprising" is synonymous with "including," "having," "containing," or "characterized by." These terms are to be construed as inclusive and open and do not exclude additional unnamed elements or process steps.

Der Ausdruck „bestehend aus“ schließt jedes Element, jeden Schritt oder Bestandteil aus, der nicht in dem Anspruch spezifiziert ist. Wenn dieser Ausdruck in einem Abschnitt des Hauptteils eines Anspruchs erscheint, anstatt sofort nach der Einleitung zu folgen, begrenzt er nur das Element, das in dem Abschnitt beschrieben ist; wobei andere Elemente nicht vom Anspruch insgesamt ausgeschlossen werden.The term "consisting of" excludes any element, step or component not specified in the claim. If this term appears in a section of the main part of a claim, rather than immediately following the introduction, it limits only the element described in the section; other elements are not excluded from the claim as a whole.

Der Ausdruck „im Wesentlichen bestehend aus“ begrenzt den Umfang eines Anspruchs auf die angegebenen Materialien oder Schritte, plus denjenigen, die nicht erheblich die Grund- und neuartigen Merkmal(e) des beanspruchten Gegenstands beeinflussen.The term "consisting essentially of" limits the scope of a claim to the specified materials or steps, plus those that do not materially affect the basic and novel features of the claimed subject matter.

Die Begriffe „umfassend“, „bestehend aus“ und „im Wesentlichen bestehend aus“ können alternativ verwendeten werden. Wo einer von diesen drei Begriffen verwendet wird, kann der vorliegend offenbarte und beanspruchte Gegenstand die Verwendung eines der anderen beiden Begriffe beinhalten.The terms "comprising", "consisting of" and "consisting essentially of" may alternatively be used. Where one of these three terms is used, the subject matter disclosed and claimed herein may involve the use of one of the other two terms.

Offenbarungen der Veröffentlichungen, auf die in dieser Anwendung verwiesen wird, gelten durch Bezugnahme in vollem Umfang in diese Anwendung aufgenommen, um den Stand der Technik, auf die sich dies vorliegende Offenbarung bezieht, genauer zu beschreiben.Disclosures of the publications referred to in this application are incorporated by reference in their entirety into this application to more particularly describe the state of the art to which this present disclosure pertains.

1 zeigt ein schematisches Kathoden-Teilsystem eines in der Technik bekannten Brennstoffzellensystems 110. Wie dargestellt, ist die typische Wasserdampfübertragungsvorrichtung (WVT) 104 fern von einem Kathodenausgang 130 und einem Kathodeneingang 128 des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellenstapelsystems positioniert. Das herkömmliche Brennstoffzellensystem kann, jedoch nicht notwendigerweise, einen Ladeluftkühler und/oder Verteiler 112 zusammen mit der Wasserdampfübertragungsvorrichtung 104 (wie einen Befeuchter) beinhalten, um eine relative Feuchtigkeit der Brennstoffzelle 102 zu regulieren. Der Ladeluftkühler und/oder -verteiler 112 kann den ersten Einlass 132, den ersten Auslass 124 und den zweiten Auslass 122 haben. Das herkömmliche Brennstoffzellensystem kann ferner die Brennstoffzelle 102 und einen Luftkompressor 126, wie dargestellt, beinhalten. Die Brennstoffzelle 102 weist eine Vielzahl von Brennstoffzellen, einen Kathodeneinlass 128 und einen Kathodenauslass 130 auf. Der Luftkompressor 126 steht in Fluidverbindung mit der Brennstoffzelle 102 und ist angepasst, um eine Strömung von geladener Luft dazu bereitzustellen. Die WVT-Vorrichtung 104 ist im Allgemeinen eine externe Komponente des Brennstoffzellenstapels und die WVT-Vorrichtung 104 steht in Fluidverbindung mit dem Luftkompressor 126 und der Brennstoffzelle 102, wie dargestellt. Die WVT-Vorrichtung 104 ist angepasst, um selektiv die geladene Luft, die der Brennstoffzelle 102 bereitgestellt wird, zu befeuchten. Die WVT-Vorrichtung 104 kann Feuchtigkeit an den Ladelufteingang 127 (vom Kompressor 126 kommend) von dem feuchten Kathodenauslassstrom 148, der aus dem Kathodenauslass 130 über eine Membran (nicht dargestellt) austritt, übertragen. Somit hat der Ladeluftausgang 127' von der WVT-Vorrichtung ausreichend Feuchtigkeit, um sie in der Brennstoffzelle 102 zu verwenden. Andere geeignete Mittel zum Befeuchten der Ladeluft können ebenfalls eingesetzt werden. 1 Figure 12 shows a schematic cathode subsystem of a fuel cell system known in the art 110 , As shown, the typical water vapor transfer device (WVT) is 104 far from a cathode output 130 and a cathode entrance 128 the fuel cell stack of the fuel cell stack system positioned. The conventional fuel cell system may, but not necessarily, include a charge air cooler and / or manifold 112 together with the water vapor transfer device 104 (such as a humidifier) to provide relative humidity of the fuel cell 102 to regulate. The intercooler and / or distributor 112 may be the first inlet 132 , the first outlet 124 and the second outlet 122 to have. The conventional fuel cell system may further include the fuel cell 102 and an air compressor 126 as shown. The fuel cell 102 has a plurality of fuel cells, a cathode inlet 128 and a cathode outlet 130 on. The air compressor 126 is in fluid communication with the fuel cell 102 and is adapted to provide a flow of charged air thereto. The WVT device 104 is generally an external component of the fuel cell stack and the WVT device 104 is in fluid communication with the air compressor 126 and the fuel cell 102 , as shown. The WVT device 104 is adapted to selectively charge the charged air to the fuel cell 102 is provided to moisten. The WVT device 104 can add moisture to the charge air inlet 127 (from the compressor 126 coming) from the wet cathode outlet stream 148 coming from the cathode outlet 130 via a membrane (not shown) exits transferred. Thus, the charge air outlet has 127 ' from the WVT device sufficient moisture to them in the fuel cell 102 to use. Other suitable means for moistening the charge air can also be used.

Der optionale Ladeluftkühler (CAC und/oder Verteiler) 112 ist in Verbindung mit dem Luftkompressor 126 und jeder der Brennstoffzellen 102 und der WVT-Vorrichtung 104 angeordnet. Der erste Einlass 132 steht in Fluidverbindung mit dem Luftkompressor 126. Der erste Auslass 124 steht in Fluidverbindung mit der Brennstoffzelle 102. Der Luftkompressor 126 saugt Umgebungsluft 100 an und steht in Fluidverbindung mit der WVT-Vorrichtung 104 (über optionale CAC und/oder Verteiler 112). Der zweite Auslass 122 steht in Fluidverbindung mit der WVT-Vorrichtung 104. Der Ladeluftkühler (und/oder Dreiwege-Verteiler) als Element 112 dargestellt, ist angepasst, um: a) eine Ladeluft zu veranlassen, die WVT-Vorrichtung 104 zu umgehen und zur Brennstoffzelle 102 zu fließen; und/oder b) eine Ladeluft zu veranlassen, zur WVT-Vorrichtung 104 zu fließen - um die Feuchtigkeit der Brennstoffzelle 102 zu regulieren.The optional intercooler (CAC and / or manifold) 112 is in communication with the air compressor 126 and each of the fuel cells 102 and the WVT device 104 arranged. The first inlet 132 is in fluid communication with the air compressor 126 , The first outlet 124 is in fluid communication with the fuel cell 102 , The air compressor 126 sucks in ambient air 100 and is in fluid communication with the WVT device 104 (via optional CAC and / or distributor 112 ). The second outlet 122 is in fluid communication with the WVT device 104 , The intercooler (and / or three-way distributor) as an element 112 is adapted to: a) cause a charge air, the WVT device 104 to get around and to the fuel cell 102 to flow; and / or b) to cause a charge air to the WVT device 104 to flow - around the moisture of the fuel cell 102 to regulate.

2 zeigt eine detailliertere schematische Darstellung einer herkömmlichen Brennstoffzelle und einer externen Wasserdampfübertragungsvorrichtung. Eine Eingangs-Ladeluftströmung 127 von Kompressor 126 (und/oder optional CAC & Verteiler 112) tritt in die WVT-Vorrichtung 104 ein. Die WVT-Membran 150 ist konfiguriert, Feuchtigkeit 158 vom feuchten Kathodenabgasstrom 148 zu übertragen und dadurch eine befeuchtete Ausgangs-Ladeluftströmung 127' zu erzeugen, die in die Brennstoffzelle 140 am Kathodeneinlass 128 eintritt (siehe 1). Der Kathodenabgasstrom 148 verlässt die Brennstoffzelle 102 als mit Feuchtigkeit angereicherte Luft, aufgrund des Wasser-Nebenprodukts 156 aus der Reaktion an der MEA 152 in der Brennstoffzelle 102. Es versteht sich, dass nach Durchlaufen der WVT-Vorrichtung 104, der Kathodenabgasstrom 148' einen reduzierten Feuchtigkeitsgehalt hat. 2 shows a more detailed schematic representation of a conventional fuel cell and an external Wasserdampfübertragungsvorrichtung. An inlet charge air flow 127 from compressor 126 (and / or optional CAC & Distributor 112 ) enters the WVT device 104 on. The WVT membrane 150 is configured moisture 158 from the wet cathode exhaust stream 148 to transmit and thereby a humidified output charge air flow 127 ' to generate in the fuel cell 140 at the cathode inlet 128 entry (see 1 ). The cathode exhaust stream 148 leaves the fuel cell 102 as moisture-enriched air due to the water by-product 156 from the reaction at the MEA 152 in the fuel cell 102 , It is understood that after passing through the WVT device 104 , the cathode exhaust gas stream 148 ' has a reduced moisture content.

Ein in der Technik bekanntes exemplarisches Kraftstoffsystem, das in 1 dargestellt ist, kann ein Stellglied 116, die Steuerung 118 und mindestens einen Feuchtigkeitssensor 120 beinhalten. Die Brennstoffzellensystemsteuerung 118 kann in elektrischer Verbindung mit dem Stellglied 116 stehen. Die Steuerung 118 reguliert die Feuchtigkeit der Brennstoffzelle 102 über ein Stellglied und/oder WVT. Ein Feuchtigkeitssensor 120 kann vorgesehen sein, der in elektrischer Verbindung mit der Steuerung steht, um eine Rückführung der relativen Feuchtigkeit der Ladeluftströmung zur Steuerung 118 bereitzustellen. Jedoch ist anzumerken, dass mehrere gemeinhin bekannte Kraftstoffsysteme auf die Verwendung von Feuchtigkeitssensoren verzichten und stattdessen andere Mittel (z. B. den Hochfrequenzwiderstand des Stapels) nutzen, um indirekt die Feuchtigkeit im System zu messen. Nichtsdestoweniger, unabhängig davon, ob Feuchtigkeitssensoren implementiert sind oder nicht, viele bekannte Brennstoffzellensysteme implementieren im Allgemeinen eine WVT-Vorrichtung 104, wie dargestellt, die Raum beansprucht und die Gesamtgröße des Brennstoffzellensystems erhöht. Verpackungsraum für ein Brennstoffzellensystem kann besonders bei Anwendungen wie Fahrzeugen einschränkend sein, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Somit ist es wünschenswert, das Volumen derartiger Brennstoffzellensysteme insbesondere in Fahrzeuganwendungen zu reduzieren. An exemplary fuel system known in the art and known in the art 1 can be shown, an actuator 116 , the control 118 and at least one humidity sensor 120 include. The fuel cell system controller 118 can be in electrical connection with the actuator 116 stand. The control 118 regulates the humidity of the fuel cell 102 via an actuator and / or WVT. A moisture sensor 120 may be provided, which is in electrical communication with the controller to a feedback of the relative humidity of the charge air flow to the controller 118 provide. However, it should be noted that several commonly known fuel systems dispense with the use of humidity sensors and instead use other means (eg, the high frequency resistance of the stack) to indirectly measure the humidity in the system. Nonetheless, regardless of whether moisture sensors are implemented or not, many known fuel cell systems generally implement a WVT device 104 as shown, which takes up space and increases the overall size of the fuel cell system. Packing space for a fuel cell system may be particularly limited in applications such as vehicles, but is not limited thereto. Thus, it is desirable to reduce the volume of such fuel cell systems, especially in vehicle applications.

Dementsprechend, mit Bezug auf 3-6, stellt die vorliegende Offenbarung eine erste Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung mit integrierter Brennstoffzelle 10 bereit, die einen WVT-Bereich in der Brennstoffzelle hat. Brennstoffzelle 10 der vorliegenden Offenbarung beinhaltet einen Wasserübertragungsbereich 12, der in die Membranelektrodenanordnung 18 integriert ist. Die integrierte Brennstoffzelle 10 beinhaltet eine erste Bipolarplatte 14, eine zweite Bipolarplatte 16 und eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 18, die zwischen der ersten und zweiten Bipolarplatte 14, 16, wie in 3 dargestellt, angeordnet ist. Die Membranelektrodenanordnung 18 beinhaltet ferner einen Wasserdampfübertragungsbereich 12 und einen Wirkflächenbereich 20. Der Wasserdampfbereich 12 ist konfiguriert, Feuchtigkeit, wie hierin beschrieben, zu übertragen, während der Wirkflächenbereich zwei Elektroden beinhaltet und konfiguriert ist, Strom 62 zu erzeugen und ein Wasser-Nebenprodukt 22 bereitzustellen, um eine Reaktion zu ermöglichen, die einen Eingangsstrom mit Wasserstoff 24 und einen Eingangsluftstrom 26 mit Sauerstoff umfasst. Es versteht sich, dass jede Bezugnahme auf den Eingangsluftstrom 26 dahingehend interpretiert werden muss, dass der Eingangsluftstrom 26 Sauerstoff enthält.Accordingly, with reference to 3-6 , the present disclosure provides a first embodiment of the present disclosure with integrated fuel cell 10 ready, which has a WVT area in the fuel cell. fuel cell 10 The present disclosure includes a water transfer area 12 placed in the membrane electrode assembly 18 is integrated. The integrated fuel cell 10 includes a first bipolar plate 14 , a second bipolar plate 16 and a membrane electrode assembly (MEA) 18 between the first and second bipolar plates 14 . 16 , as in 3 represented, is arranged. The membrane electrode assembly 18 further includes a water vapor transfer area 12 and an effective area area 20 , The water vapor area 12 is configured to transmit moisture as described herein while the effective area area includes two electrodes and is configured to supply power 62 to produce and a water by-product 22 to provide a reaction that allows an input stream of hydrogen 24 and an input airflow 26 with oxygen. It is understood that any reference to the input airflow 26 must be interpreted to mean that the input air flow 26 Contains oxygen.

Der Wasserdampfübertragungsbereich 12 der Membranelektrodenanordnung 18 kann im Verhältnis zum Wirkflächenbereich 20 hydrophil und konfiguriert sein, Feuchtigkeit von einem primären Strom 25 des Fluids mit höherer relativer Luftfeuchtigkeit (als Beispiel aber nicht beschränkt darauf der Wasserstoff-Ausgangsstrom 24') an einen sekundären Strom 23 des Fluids (als Beispiel aber nicht beschränkt darauf ein Eingangs-Ladeluftströmung 26 am ersten MEA-Ende 28). Alternativ kann ein Wasserdampfübertragungsabschnitt 12 am zweiten MEA-Ende 30 dafür konfiguriert sein, auch Feuchtigkeit aus einem primären Fluidstrom 25 (wie beispielsweise aber nicht beschränkt darauf Abluftstrom 26') an einen sekundären Fluidstrom 23 (wie beispielsweise aber nicht beschränkt darauf Eingangs-Gasstrom mit Wasserstoff 24) zu übertragen. Es versteht sich, dass der primäre Fluidstrom (Abluftstrom 26' oder Wasserstoff-Ausgangsstrom 24' oder dergleichen) mit Feuchtigkeit angereichert ist, da ein Wasserdampf-Nebenprodukt entsteht, wenn die Brennstoffzelle Elektrizität erzeugt. Der Wasserdampfübertragungsbereich kann eine Elektrode oder keine Elektroden in diesem speziellen Bereich der MEA haben.The water vapor transfer area 12 the membrane electrode assembly 18 can in relation to the effective area 20 be hydrophilic and configured to absorb moisture from a primary stream 25 the higher relative humidity fluid (for example, but not limited to, the hydrogen output current 24 ' ) to a secondary stream 23 of the fluid (as an example but not limited to an input charge air flow 26 at the first MEA end 28 ). Alternatively, a Wasserdampfübertragungsabschnitt 12 at the second MEA end 30 be configured to also moisture from a primary fluid stream 25 (such as but not limited to exhaust air flow 26 ' ) to a secondary fluid stream 23 (such as, but not limited to, input gas stream with hydrogen 24 ) transferred to. It is understood that the primary fluid flow (exhaust air flow 26 ' or hydrogen output current 24 ' or the like) is enriched with moisture since a by-product of steam is generated when the fuel cell generates electricity. The water vapor transfer area may have an electrode or no electrodes in this particular area of the MEA.

Unter Bezugnahme auf 3-5 kann der Wasserdampfübertragungsbereich 12 am ersten MEA-Ende 28 der Membranelektrodenanordnung 18 definiert sein, sowie an einem zweiten MEA-Ende 30 der Membranelektrodenanordnung 18 mit dem dazwischen definierten Wirkflächenbereich 20, wie insbesondere in 4 dargestellt. In 5 kann der Wasserdampfübertragungsbereich (eine) von dem Wirkflächenbereich 20 getrennte Membran(en) sein, wie in dem nicht einschränkenden Beispiel in 5 dargestellt, in dem eine Dichtung 60 jeden Bereich trennt. Alternativ kann, mit Bezug auf 6, der Wasserdampfübertragungsbereich 12 der MEA an einem ersten MEA-Ende 28 der Membranelektrodenanordnung 18 definiert sein und der Wirkflächenbereich 20 kann im mittleren Bereich 17 definiert sein und sich zum zweiten MEA-Ende 30 der Membranelektrodenanordnung 18 erstrecken. Nichtsdestoweniger versteht sich mit Bezug auf alle Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, dass der Wasserdampfübertragungsbereich entweder in den Wirkflächenbereich integriert sein kann (wie in nichtbeschränkenden Beispielen in 3-4 und 6 gezeigt) oder der Wasserdampfübertragungsbereich (eine) von dem Wirkflächenbereich 20 getrennte Membran(en) sein kann, wie in dem nichteinschränkenden Beispiel in 5 dargestellt, in dem eine Dichtung 60 jeden Bereich trennt.With reference to 3-5 can the water vapor transfer area 12 at the first MEA end 28 the membrane electrode assembly 18 be defined, as well as at a second end of the MEA 30 the membrane electrode assembly 18 with the active surface area defined in between 20 , in particular in 4 shown. In 5 For example, the water vapor transfer area (one) may be from the effective area area 20 in separate non-limiting example (s) 5 shown in which a seal 60 separates every area. Alternatively, with reference to 6 , the water vapor transfer area 12 the MEA at a first MEA end 28 the membrane electrode assembly 18 be defined and the effective area area 20 can be in the middle range 17 be defined and become the second MEA end 30 the membrane electrode assembly 18 extend. Nonetheless, with respect to all embodiments of the present disclosure, it will be understood that the water vapor transfer region may be integrated into either the effective area region (as in non-limiting examples in FIGS 3-4 and 6 shown) or the Wasserdampfübertragungsbereich (one) of the effective area area 20 may be separate membrane (s), as in the non-limiting example of FIG 5 shown in which a seal 60 separates every area.

Unter Bezugnahme auf 7 und zurück zu 3, versteht sich, dass der gasförmige Eingangs-Wasserstoffstrom 24 in die Brennstoffzelle 10 am zweiten MEA-Ende 30 eintritt und ein Eingang-Ladeluftstrom 26 mit Sauerstoff von dem Kompressor (nicht dargestellt) in die Brennstoffzelle 10 am ersten MEA-Ende 28 eintritt, während ein erster Wasserfeuchtigkeits-/Wasserstrom 32 (3) (siehe auch Element 41 in 7), der vom Anodenausgang 32 extrahiert ist, durch den WVT-Bereich 12 am ersten MEA-Ende 28 fließt, und ein zweiter Feuchtigkeits-/Wasserstrom 38 (3) (siehe auch Element 39 in 7), der vom Kathodenausgang 48 extrahiert ist, durch den WVT-Bereich 12 am zweiten MEA-Ende 30 fließt, wenn die integrierte Brennstoffzelle 10 Elektrizität/Strom 62 erzeugt, während gleichzeitig der Feuchtigkeitsgrad in der Brennstoffzelle 10 gesteuert wird.With reference to 7 and back to 3 It is understood that the gaseous input hydrogen stream 24 into the fuel cell 10 at the second MEA end 30 inlet and an inlet charge air flow 26 with oxygen from the compressor (not shown) into the fuel cell 10 at the first MEA end 28 occurs while a first Wasserfeuchtigkeits- / water flow 32 ( 3 ) (see also element 41 in 7 ) coming from the anode output 32 extracted through the WVT area 12 at the first MEA end 28 flows, and a second moisture / water flow 38 ( 3 ) (see also element 39 in 7 ) coming from the cathode output 48 extracted through the WVT area 12 at the second MEA end 30 flows when the integrated fuel cell 10 Electricity / Electricity 62 generated while at the same time the moisture level in the fuel cell 10 is controlled.

Hinsichtlich des/der integrierten Wasserdampfübertragungsbereich(s/e) zeigt 3, dass der Wasserdampfübertragungsbereich 12, der am ersten MEA-Ende 28 angeordnet ist, dafür konfiguriert ist, Feuchtigkeit von einem mit Feuchtigkeit angereicherten primären Strom (Wasserstoff-Ausgangsstrom 24') zum Eingangs-Ladeluftstrom 26 (sekundäres Fluid) von dem Kompressor (nicht dargestellt) zu übertragen, der der Brennstoffzelle 10 am ersten MEA-Ende 28 bereitgestellt wird. Weiterhin, wie nur in 3 dargestellt, kann der Wasserdampfübertragungsbereich 12, der am zweiten MEA-Ende 30 angeordnet ist, dafür konfiguriert werden kann, Feuchtigkeit vom primären Strom (mit Feuchtigkeit angereicherter Abluftstrom 26') in den Eingangsstrom mit Wasserstoff 24 zu übertragen, der der Brennstoffzelle 10 am zweiten MEA-Ende 30 bereitgestellt wird.Regarding the integrated water vapor transfer area (s / e) shows 3 that the water vapor transfer area 12 , the first at the MEA end 28 is arranged to receive moisture from a moisture-enriched primary stream (hydrogen output stream 24 ' ) to the inlet charge air flow 26 (Secondary fluid) from the compressor (not shown), that of the fuel cell 10 at the first MEA end 28 provided. Continue, as only in 3 shown, the water vapor transfer area 12 , the second on the MEA end 30 can be configured to receive moisture from the primary stream (moisture-enriched exhaust air stream 26 ' ) in the input stream with hydrogen 24 to transfer that of the fuel cell 10 at the second MEA end 30 provided.

Mit Bezug auf 7 kann die Brennstoffzelle 10 ferner eine Anodenschleife 36 beinhalten, die konfiguriert ist, das Wasser-Nebenprodukt 22 (aus der chemischen Reaktion am Wirkflächenbereich 20) vom Anodenausgang 42 auf der Anodenseite 56 der Brennstoffzelle 10 zum Anodeneingang 40 der Brennstoffzelle 10 am zweiten MEA-Ende 30 zu leiten. Eine weitere Möglichkeit zur Implementierung einer Kathodenschleife 46 (zusätzlich zu der vorgenannten Anodenschleife 36) ist jedoch vorgesehen, bei der die Kathodenschleife 46 konfiguriert ist, ein Wasser-Nebenprodukt 22' von der Kathodenseite 58 der Brennstoffzelle 10 vom Kathodenausgang 48 zurück zu einem Kathodeneingang 50 der Brennstoffzelle 10 am ersten MEA-Ende 28 zu leiten.Regarding 7 can the fuel cell 10 further an anode loop 36 which is configured, the water by-product 22 (from the chemical reaction at the active surface area 20 ) from the anode output 42 on the anode side 56 the fuel cell 10 to the anode entrance 40 the fuel cell 10 at the second MEA end 30 to lead. Another way to implement a cathode loop 46 (in addition to the aforementioned anode loop 36 ) is provided, however, in which the cathode loop 46 is configured, a water by-product 22 ' from the cathode side 58 the fuel cell 10 from the cathode output 48 back to a cathode entrance 50 the fuel cell 10 at the first MEA end 28 to lead.

In noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, wird ein integrierter Brennstoffzellenstapel 80 mit einer Wasserdampfübertragungseigenschaft, wie in 8 dargestellt, bereitgestellt. Der integrierte Brennstoffzellenstapel 80 beinhaltet eine erste Endplatte 50, eine zweite Endplatte 52 und eine Vielzahl 54 von Brennstoffzellen 10, die zwischen der ersten und der zweiten Endplatte angeordnet sind. Jede Brennstoffzelle 10 in der Vielzahl 54 der Brennstoffzellen 10 wird in 3 näher dargestellt. Jede Brennstoffzelle beinhaltet eine erste und zweite Bipolarplatte 14, 16 mit einer Membranelektrodenanordnung 18 zwischen der ersten und zweiten Bipolarplatte 14, 16. Die Membranelektrodenanordnung 18 beinhaltet ferner einen Wasserdampfübertragungsbereich 12 und einen Wirkflächenbereich 20 (3-6), der konfiguriert ist, einen elektrischen Strom zu erzeugen und ein Wasser-Nebenprodukt 22 (3) bereitzustellen, um eine Reaktion zu ermöglichen, die einen Wasserstoff-Eingangsstrom 24 und einen Eingangs-Ladeluftstrom 26 aufweist. Der Wasserdampfübertragungsbereich 12 ist konfiguriert, Feuchtigkeit aus einem mit Feuchtigkeit angereicherten primären Fluidstrom (wie Wasserstoff-Ausgangsstrom 24' und/oder Abluftstrom 26') an einen sekundären Fluidstrom (Eingangs-Ladeluftstrom 26 und/oder Wasserstoff-Eingangsstrom 24) zu übertragen. Der primäre Fluidstrom kann, jedoch nicht zwingend, der mit Feuchtigkeit angereicherte Wasserstoff-Ausgangsstrom 24' am ersten MEA-Ende und/oder der Abluftstrom 26' am zweiten MEA-Ende sein (im Anoden- und Kathodenstrom enthalten), während der sekundäre Fluidstrom, der die Feuchtigkeit aufnimmt, ein Wasserstoff-Eingangsstrom 24 am zweiten MEA-Ende und/oder ein Eingangs-Ladeluftstrom 26 am ersten MEA-Ende sein kann, jedoch nicht notwendigerweise sein muss. Dementsprechend, versteht sich, dass der primäre Strom 25 (3) der mit Feuchtigkeit angereicherte Strom ist, von dem der WVT-Bereich die Feuchtigkeit wegbefördert, während der sekundäre Strom 23 (3) der relativ trockenere Strom ist, an den der WVT-Bereich Feuchtigkeit überträgt. Der Wasserdampfübertragungsbereich 12 der Membranelektrodenanordnung 18 für jede Brennstoffzelle 10 im Brennstoffzellenstapel 80 kann im Verhältnis zum Wirkflächenbereich 20 hydrophil sein.In yet another embodiment of the present disclosure, an integrated fuel cell stack is provided 80 with a water vapor transfer property, as in 8th shown provided. The integrated fuel cell stack 80 includes a first end plate 50 , a second end plate 52 and a variety 54 of fuel cells 10 which are arranged between the first and second end plates. Every fuel cell 10 in the multiplicity 54 the fuel cells 10 is in 3 shown in more detail. Each fuel cell includes first and second bipolar plates 14 . 16 with a membrane electrode assembly 18 between the first and second bipolar plates 14 . 16 , The membrane electrode assembly 18 further includes a water vapor transfer area 12 and an effective area area 20 ( 3-6 ) configured to generate an electric current and a water by-product 22 ( 3 ) to allow a reaction involving a hydrogen input stream 24 and an input charge airflow 26 having. The water vapor transfer area 12 is configured to extract moisture from a moisture-enriched primary fluid stream (such as hydrogen output stream 24 ' and / or exhaust air flow 26 ' ) to a secondary fluid flow (input charge air flow 26 and / or hydrogen input stream 24 ) transferred to. The primary fluid stream may, but not necessarily, be the moisture-enriched hydrogen output stream 24 ' at the first MEA end and / or the exhaust air flow 26 ' at the second end of the MEA (contained in the anode and cathode streams) while the secondary fluid stream receiving the moisture is a hydrogen input stream 24 at the second MEA end and / or an input charge air flow 26 may be at the first MEA end, but does not necessarily have to be. Accordingly, it is understood that the primary stream 25 ( 3 ) is the moisture-enriched stream from which the WVT section removes the moisture while the secondary stream 23 ( 3 ) is the relatively drier stream to which the WVT area transfers moisture. The water vapor transfer area 12 the membrane electrode assembly 18 for every fuel cell 10 in the fuel cell stack 80 can in relation to the effective area 20 be hydrophilic.

Unter Bezugnahme auf 6 kann der Wasserdampfübertragungsbereich 12 der MEA für jede Brennstoffzelle 10 im Brennstoffzellenstapel 80 an einem ersten MEA-Ende 28 der Membranelektrodenanordnung 18 definiert sein und der Wirkflächenbereich 20 kann im mittleren Bereich 17 definiert sein und sich zum zweiten-Ende 30 der Membranelektrodenanordnung 18 erstrecken. Alternativ, unter Bezugnahme auf 3, 4 und 5 kann der Wasserdampfübertragungsbereich 12 am ersten MEA-Ende 28 der Membranelektrodenanordnung 18 definiert sein, sowie an einem zweiten MEA-Ende 30 der Membranelektrodenanordnung 18 mit dem dazwischen definierten Wirkflächenbereich 20.With reference to 6 can the water vapor transfer area 12 the MEA for each fuel cell 10 in the fuel cell stack 80 at a first MEA end 28 the membrane electrode assembly 18 be defined and the effective area area 20 can be in the middle range 17 be defined and the second end 30 of the membrane electrode assembly 18 extend. Alternatively, with reference to 3 . 4 and 5 can the water vapor transfer area 12 at the first MEA end 28 the membrane electrode assembly 18 be defined, as well as at a second end of the MEA 30 the membrane electrode assembly 18 with the active surface area defined in between 20 ,

Unter Bezugnahme auf 3 kann für jede Brennstoffzelle 10 im Brennstoffzellenstapel 80, ein Wasserstoff-Eingangsstrom 24 in die Brennstoffzelle 10 am zweiten MEA-Ende 30 eintreten und ein Eingangs-Ladeluftstrom 26 von dem Kompressor (nicht dargestellt) kann in die Brennstoffzelle 10 am ersten MEA-Ende 28 eintreten, während ein erster Wasserstrom 41 (Element 41 in 7) durch den Wasserdampfübertragungsbereich am ersten MEA-Ende 28 fließt. Desgleichen, wie in 7 dargestellt, fließt ein zweiter Wasserstrom 39 durch den Wasserdampfübertragungsbereich 12 am zweiten MEA-Ende 30, wenn die integrierte Brennstoffzelle 10 Elektrizität/Strom erzeugt, während gleichzeitig der Feuchtigkeitsgrad in der Brennstoffzelle 10 gesteuert wird.With reference to 3 can for every fuel cell 10 in the fuel cell stack 80 , a hydrogen input stream 24 into the fuel cell 10 at the second MEA end 30 enter and an input charge air flow 26 from the compressor (not shown) may enter the fuel cell 10 at the first MEA end 28 enter while a first stream of water 41 (Element 41 in 7 ) through the water vapor transfer area at the first MEA end 28 flows. Likewise, as in 7 shown, flows a second stream of water 39 through the water vapor transfer area 12 at the second MEA end 30 if the integrated fuel cell 10 Electricity/ Electricity generated while at the same time the moisture level in the fuel cell 10 is controlled.

Unter weiterer Bezugnahme auf 7, kann jede Brennstoffzelle 10 im Brennstoffzellenstapel 80 eine Kathodenschleife 36 beinhalten, die konfiguriert ist, ein Wasser-Nebenprodukt 22 von der Kathodenseite 56 der Brennstoffzelle vom Kathodenausgang 42 zurück zu einem Kathodeneingang 40 der Brennstoffzelle 10 am zweiten MEA-Ende 30 zu leiten. Darüber hinaus wird eine weitere Möglichkeit zur Implementierung einer Kathodenschleife 46 (zusätzlich zu der vorgenannten Anodenschleife 36) vorgesehen, bei der die Kathodenschleife 46 konfiguriert ist, ein Wasser-Nebenprodukt 22' von der Kathodenseite 58 der Brennstoffzelle 10 vom Kathodenausgang 48 zurück zu einem Kathodeneingang 50 der Brennstoffzelle 10 am ersten MEA-Ende 28 zu leiten. Es versteht sich, dass ein Eingangs-Ladeluftstrom 26 in die Brennstoffzelle am ersten MEA-Ende oder am Kathodeneingang 50 der Brennstoffzelle 10 eintritt.With further reference to 7 , every fuel cell can 10 in the fuel cell stack 80 a cathode loop 36 which is configured, a water by-product 22 from the cathode side 56 the fuel cell from the cathode output 42 back to a cathode entrance 40 the fuel cell 10 at the second MEA end 30 to lead. In addition, another way to implement a cathode loop 46 (in addition to the aforementioned anode loop 36 ), in which the cathode loop 46 is configured, a water by-product 22 ' from the cathode side 58 the fuel cell 10 from the cathode output 48 back to a cathode entrance 50 the fuel cell 10 at the first MEA end 28 to lead. It is understood that an input charge air flow 26 into the fuel cell at the first MEA end or at the cathode entrance 50 the fuel cell 10 entry.

Unter Bezugnahme auf 3-6 ist der Wasserdampfübertragungsbereich 12, der am ersten MEA-Ende 28 für jede Brennstoffzelle 10 im integrierten Brennstoffzellenstapel 80 der vorliegenden Offenbarung angebracht ist, dafür konfiguriert, Feuchtigkeit aus dem primären Fluid 25 zum sekundären Fluid 23, wie oben beschrieben, zu übertragen. Ferner, wie 5 in 3, 4 und 5 dargestellt, kann der Wasserdampfübertragungsbereich 12, der am zweiten MEA-Ende 30 jeder Brennstoffzelle 10 im integrierten Brennstoffzellenstapel 80 angeordnet ist, dafür konfiguriert werden, Feuchtigkeit vom mit Feuchtigkeit angereicherten Abluftstrom 26' in den Wasserstoff-Eingangsstrom 24 zu übertragen, der der Brennstoffzelle 10 am zweiten MEA-Ende 30 bereitgestellt wird.With reference to 3-6 is the water vapor transfer area 12 , the first at the MEA end 28 for every fuel cell 10 in the integrated fuel cell stack 80 of the present disclosure, configured to receive moisture from the primary fluid 25 to the secondary fluid 23 as described above. Further, as 5 in 3 . 4 and 5 shown, the water vapor transfer area 12 , the second on the MEA end 30 every fuel cell 10 in the integrated fuel cell stack 80 is arranged to be configured to moisture from the moisture-enriched exhaust air stream 26 ' in the hydrogen input stream 24 to transfer that of the fuel cell 10 at the second MEA end 30 provided.

Während mindestens zwei exemplarische Ausführungsformen in der vorstehenden ausführlichen Beschreibung dargestellt wurden, versteht es sich, dass es eine große Anzahl an Varianten gibt. Es versteht sich weiterhin, dass die exemplarische Ausführungsform oder die exemplarischen Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration dieser Offenbarung in keiner Weise einschränken sollen. Die vorstehende ausführliche Beschreibung stellt Fachleuten auf dem Gebiet vielmehr einen zweckmäßigen Plan zur Implementierung der exemplarischen Ausführungsform bzw. der exemplarischen Ausführungsformen zur Verfügung. Es versteht sich, dass verschiedene Veränderungen an der Funktion und der Anordnung von Elementen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung, wie er in den beigefügten Ansprüchen und deren rechtlichen Entsprechungen aufgeführt ist, abzuweichen.While at least two exemplary embodiments have been presented in the foregoing detailed description, it should be understood that there are a large number of variants. It is further understood that the exemplary embodiment or exemplary embodiments are merely examples and are not intended to limit the scope, applicability, or configuration of this disclosure in any way. Rather, the foregoing detailed description provides those skilled in the art with a convenient plan for implementing the exemplary embodiment (s). It should be understood that various changes can be made in the function and arrangement of elements without departing from the scope of the disclosure as set forth in the appended claims and their legal equivalents.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 7138197 [0003]

Claims

Fuel cell, comprising: a first bipolar plate; a second bipolar plate; and a membrane electrode assembly between the first and second bipolar plates, the membrane electrode assembly having a water vapor transfer region and an effective area region configured to generate current and provide a water by-product to facilitate a reaction comprising a hydrogen-containing input stream and an oxygen-containing input stream.

The fuel cell after Claim 1 wherein the water vapor region is configured to transmit moisture, and the effective area region includes two electrodes and is configured to generate electricity.

The fuel cell after Claim 2 wherein the water vapor transfer region is defined at the first MEA end of the membrane electrode assembly and a second end of the membrane electrode assembly is defined with the effective surface region therebetween.

The fuel cell after Claim 2 wherein the water vapor transfer region is defined at the first MEA end of the membrane electrode assembly and the effective area region is defined in the central region extending to the second end of the membrane electrode assembly.

The fuel cell after Claim 3 wherein the hydrogen input stream enters the fuel cell at the second MEA end and an oxygen-containing input air stream entering the fuel cell at the first MEA end while a first water stream is passing through the water vapor transfer region at the first MEA end and a second water stream is passing through the first MEA end Water vapor transfer area at the second MEA end is running.

The fuel cell after Claim 2 wherein an anode loop of the fuel cell is configured to direct the water by-product from an anode side of the fuel cell back to an anode inlet of the fuel cell at the second MEA end.

The fuel cell after Claim 6 wherein an anode loop of the fuel cell is configured to direct the by-product water from a cathode side of the fuel cell back to a cathode input of the fuel cell at the first MEA end.

The fuel cell after Claim 3 wherein the water vapor transfer area at the first MEA end is configured to transfer moisture from a primary stream to an input charge air stream provided to the fuel cell at the first MEA end.

Fuel cell stack, comprising: a first end plate; a second end plate; and a plurality of fuel cells between the first and second end plates, each fuel cell in the plurality of fuel cells including; a first bipolar plate; a second bipolar plate; and a membrane electrode assembly between the first and second bipolar plates, the membrane electrode assembly having a water vapor transfer region and an effective area region configured to generate an electrical current and provide a water by-product to facilitate a reaction comprising a hydrogen-containing stream and an oxygen-containing stream ,

The fuel cell stack after Claim 9 wherein the water vapor region is configured to transmit moisture, and the effective area region includes two electrodes and is configured to generate electricity.